The dielectric relaxation time distribution function in frozen and thawed organomineral soil over the frequency range from 10 MHz to 15 GHz

Abstract

The relaxation time distribution function recovery method was applied to analyze the complex dielectric permittivity spectra of moist organomineral soil from the Krasnoyarsk forest-steppe. Measurements were conducted over the electromagnetic field frequency range from 10 MHz to 15 GHz at temperatures from -30 to +25 °C during a heating process. It is shown that for this soil type, the distribution function has a quasi-discrete form. Within the studied frequency range, up to six relaxation processes in the soil were identified: a dominant low-frequency Maxwell-Wagner interfacial polarization (30,000-100,000 ps), a high-frequency process whose spectrum likely includes contributions from both free and mobile bound water (6-50 ps), and a group of processes associated with various states of bound water (100-20,000 ps). The results demonstrate the effectiveness of the relaxation time distribution function recovery method for the detailed analysis of the dielectric properties of complex heterogeneous systems, such as soils.

• dielectric relaxation
• Relaxation time distribution function
• complex dielectric permittivity
• Moist soil
• organomineral soil
• Maxwell-Wagner polarization
• bound water

Аннотация (на русском)

Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в мерзлой и талой органоминеральной почве в диапазоне частот от 10 МГц до 15 ГГц

Метод восстановления функции распределения времен релаксаций применен для анализа спектров комплексной диэлектрической проницаемости влажной органоминеральной почвы Красноярской лесостепи в диапазоне частот электромагнитного поля от 10 МГц до 15 ГГц при температурах от -30 до +25 °C в процессе нагревания. Показано, что для данного типа почвы функция распределения имеет квазидискретный вид. В рассматриваемом диапазоне частот идентифицировано до шести релаксационных процессов диэлектрической поляризации в почве: доминирующая низкочастотная межфазная поляризация Максвелла-Вагнера (30000 - 100000 пс), высокочастотный процесс, спектр которой, вероятно, включает вклады как несвязанной, так и подвижной связанной воды (6 - 50 пс), и группа процессов в связанной воде (100 - 20000 пс). Результаты демонстрируют эффективность метода восстановления функции распределения времен релаксаций для детального анализа диэлектрических свойств сложных гетерогенных систем, таких как почвы.

For citation

References

1. Loewer M. et al. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments - A combined permittivity and conductivity model // Geophysical Journal International. - 2017. - Т. 210. - №. 3. - С. 1360-1373.
2. Беляева Т.А., Бобров П.П., Кондратьева О.В. Изменение диэлектрических свойств связанной воды в почвах при увеличении ее количества // Сибирский аэрокосмический журнал. - 2013. - №. 5 (51). - С. 92-95.
3. Миронов В.Л. и др. Обобщенная рефракционная диэлектрическая модель влажных почв, учитывающая ионную релаксацию почвенной воды // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - № 3(56). - C. 75-79
4. Беляева Т.А., Бобров П.П., Крошка Е.С. Влияние релаксационных процессов на комплексную диэлектрическую проницаемость почв при положительных и отрицательных температурах // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли. - 2018. - С. 77-81.
5. Lin C.P. Frequency domain versus travel time analyses of TDR waveforms for soil moisture measurements // Soil Science Society of America Journal. - 2003. - Т. 67. - №. 3. - С. 720-729.
6. Chen Y., Or D. Effects of Maxwell-Wagner polarization on soil complex dielectric permittivity under variable temperature and electrical conductivity // Water resources research. - 2006. - Т. 42. - №. 6.
7. Bobrov P.P. et al. The effect of dielectric relaxation processes on the complex dielectric permittivity of soils at frequencies from 10 kHz to 8 GHz-Part I: Experimental // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 2022. - Т. 60. - С. 1-9.
8. Bello A., Laredo E., Grimau M. Distribution of relaxation times from dielectric spectroscopy using Monte Carlo simulated annealing: Application to α-PVDF // Physical review B. - 1999. - Т. 60. - №. 18. - С. 12764.
9. Belyaev B.A., Drokin N.A., Shabanov V.F. Reconstruction of the distribution function of relaxation times for 7CB and 7OCB liquid crystals from dielectric spectra // Physics of the Solid State. - 2006. - Т. 48. - №. 5. - С. 973-978.
10. Zasetsky A.Y., Buchner R. Quasi-linear least squares and computer code for numerical evaluation of relaxation timedistribution from broadband dielectric spectra // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2010. - Т. 23. - №. 2. - С. 025903.
11. Macutkevic J., Banys J., Matulis A. Determination of the distribution of the relaxation times from dielectric spectra // Nonlinear analysis: modelling and control. - 2004. - Т. 9. - №. 1. - С. 75-88.
12. Лукин Ю.И., Каравайский А.Ю. Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в минеральной среднеглинистой почве // Журнал радиоэлектроники. - 2024. - №. 11.
13. Каравайский А.Ю., Лукин Ю.И. Влияние органического вещества и влажности на пересечение спектров диэлектрической проницаемости почв // Журнал радиоэлектроники. - 2024. - №. 4.
14. Hasted J.B. Aqueous dielectrics. // Chapman and Hall, 1973.
15. Mironov V.L. et al. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density // International journal of remote sensing. - 2020. - Т. 41. - №. 10. - С. 3845-3865.